Das Studium der Laufwerksgeschichte ist der Beginn des Verständnisses der Funktionsweise von Solid-State-Laufwerken. Der erste Teil unserer Artikelserie "Einführung in die SSD" gibt Ihnen einen Einblick in die Geschichte und ermöglicht Ihnen, den Unterschied zwischen der SSD und ihrem engsten Konkurrenten - der HDD - klar zu verstehen.
Trotz der Fülle verschiedener Geräte zum Speichern von Informationen ist die Beliebtheit von Festplatten und SSD in unserer Zeit unbestreitbar. Der Unterschied zwischen diesen beiden Laufwerkstypen liegt für den Laien auf der Hand: SSDs sind teurer und schneller, und HDDs sind billiger und geräumiger.
Besonderes Augenmerk sollte auf die Maßeinheit der Speicherkapazität gelegt werden: Historisch gesehen bedeuten Dezimalpräfixe wie Kilo und Mega im Kontext der Informationstechnologie die zehnte und zwanzigste Potenz von zwei. Um Verwirrung zu vermeiden, wurden Binärpräfixe kibi-, mebel- und andere eingeführt. Der Unterschied zwischen diesen Konsolen macht sich mit zunehmendem Volumen bemerkbar: Beim Kauf einer 240-Gigabyte-Festplatte können Sie 223,5 Gibibyte an Informationen einsparen.
Eintauchen in die Geschichte
Die Entwicklung der ersten Festplatte wurde seit 1952 von IBM durchgeführt. Am 14. September 1956 wurde das endgültige Entwicklungsergebnis bekannt gegeben - das IBM 350 Modell 1. Das Laufwerk enthielt 3,75 Mebibyte Daten mit sehr unbescheidenen Abmessungen: 172 Zentimeter hoch, 152 Zentimeter lang und 74 Zentimeter breit. Darin befanden sich 50 dünne Scheiben mit reinem Eisenüberzug und einem Durchmesser von 610 mm (24 Zoll). Die durchschnittliche Zeit für die Suche nach Daten auf einer Festplatte betrug ~ 600 ms.
Die Zeit verging und IBM verbesserte die Technologie souverän. Im Jahr 1961 wurde
IBM 1301 mit einer Kapazität von 18,75 Megabyte mit Leseköpfen auf jeder Platte eingeführt.
Mit IBM 1311 wurden austauschbare Plattenkassetten eingeführt, und seit 1970 wurde im IBM 3330 ein Fehlererkennungs- und -korrektursystem eingeführt. Drei Jahre später erschien der als Winchester bekannte
IBM 3340 .
Winchester (vom englischen Winchester-Gewehr) ist die gebräuchliche Bezeichnung für Gewehre und Gewehre, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von der Winchester Repeating Arms Company in den USA hergestellt wurden. Dies war eines der ersten Mehrkampfgewehre, das bei den Käufern eine immense Popularität erlangte. Ihren Namen verdankten sie dem Firmengründer Oliver Fisher Winchester.
Die IBM 3340 bestand aus zwei Spindeln mit jeweils 30 MiB, weshalb die Ingenieure diese Platte als „30-30“ bezeichneten . Der Name erinnert an ein Winchester-Gewehr, Modell 1894, mit .30-30 Winchester-Patronen, weshalb Kenneth Haughton, Entwicklungsleiter bei IBM 3340, sagte: "Wenn es 30-30 sind, dann sollte es Winchester sein." ein 30-30, dann muss es ein Winchester sein. ”). Seitdem heißen nicht nur Gewehre, sondern auch Festplatten „Winchester“.
Drei Jahre später kam der IBM 3350 Madrid mit 14-Zoll-Wafern und einer Zugriffszeit von 25 ms heraus.
Das erste SSD-Laufwerk wurde 1976 von Dataram erstellt. Das Dataram BulkCore-Laufwerk bestand aus einem Gehäuse mit acht 256-KiB-RAM-Steckplätzen. Im Vergleich zur ersten Festplatte war BulkCore winzig: 50,8 cm lang, 48,26 cm breit und 40 cm hoch. Die Datenzugriffszeit in diesem Modell betrug nur 750 ns und war damit 30.000 Mal schneller als die damals modernste Festplatte.
1978 wurde Shugart Technology gegründet, die ein Jahr später ihren Namen in Seagate Technology ändert, um Konflikte mit Shugart Associates zu vermeiden. Nach zweijähriger Arbeit von Seagate erscheint der ST-506 - die erste Festplatte für PCs im 5,25-Zoll-Format und mit einer Kapazität von 5 MiB.
Zusätzlich zum Aufkommen von Shugart Technology wurde 1978 an die Veröffentlichung der ersten Enterprise-SSD von StorageTek erinnert. StorageTek STC 4305 enthielt 45 MiB Daten. Diese SSD wurde als Ersatz für die IBM 2305 entwickelt und hatte eine ähnliche Größe und kostete unglaubliche 400.000 US-Dollar.
Im Jahr 1982 trat SSD in den PC-Markt ein. Die Firma Axlon speziell für Apple II entwickelt ein SSD-Laufwerk auf RAM-Chips namens RAMDISK 320. Da das Laufwerk auf der Basis eines flüchtigen Speichers erstellt wurde, wurde zur Wahrung der Informationssicherheit eine Batterie mitgeliefert. Die Batteriekapazität reichte für 3 Stunden Batterielebensdauer bei Stromausfall.
Ein Jahr später wird Rodime die erste 10-MiB-RO352-Festplatte in einem 3,5-Zoll-Format herausbringen, das dem modernen Benutzer vertraut ist. Trotz der Tatsache, dass dies die erste kommerzielle Scheibe in diesem Formfaktor ist, hat Rodime im Wesentlichen nichts Innovatives getan.
Das erste Produkt in diesem Formfaktor ist das von Tandon und Shugart Associates bereitgestellte Diskettenlaufwerk. Darüber hinaus haben Seagate und MiniScribe vereinbart, den 3,5-Zoll-Industriestandard zu übernehmen, sodass Rodime vom Schicksal des „Patent-Trolls“ als „Außenborder“ erwartet wird und vollständig aus der Antriebsbranche ausscheidet.
1980 meldete der Ingenieur von Toshiba, Professor Fujio Masuoka, ein Patent für einen neuen Speichertyp an, der als Flash-Speichertyp NOR bezeichnet wurde. Die Entwicklung dauerte 4 Jahre.
NOR-Speicher ist eine klassische 2D-Leitermatrix , in der am Schnittpunkt von Zeilen und Spalten eine Zelle installiert ist (ein Analogon des Speichers auf Magnetkernen).
1984 sprach Professor Masuoka auf dem International Electronics Developers Meeting über seine Erfindung, wo Intel das Versprechen dieser Entwicklung schnell erkannte. Toshiba, in dem Professor Masuoka arbeitete, hielt Flash-Speicher für nichts Besonderes und erteilte daher die Bitte von Intel, mehrere Prototypen für das Studium herzustellen.
Das Interesse von Intel an der Entwicklung von Fujio veranlasste Toshiba, fünf Ingenieure zu identifizieren, die dem Professor bei der Lösung des Problems der Kommerzialisierung der Erfindung helfen sollten. Intel wiederum warf dreihundert Mitarbeiter an die Arbeit, um eine eigene Version des Flash-Speichers zu entwickeln.
Während Intel und Toshiba Flash-Laufwerke entwickelten, fanden 1986 zwei wichtige Ereignisse statt. Erstens ist SCSI offiziell standardisiert - eine Reihe von Vereinbarungen für die Interaktion zwischen Computern und Peripheriegeräten. Zweitens wurde die unter dem Markennamen Integrated Drive Electronics (IDE) bekannte AT Attachment (ATA) -Schnittstelle entwickelt, dank derer sich der Plattencontroller innerhalb der Platte bewegte.
Fujio Mausoka arbeitete drei Jahre lang an der Verbesserung der Flash-Technologie und entwickelte 1987 einen NAND-Speicher.
Der NAND-Speicher ist derselbe NOR-Speicher, der in einem dreidimensionalen Array organisiert ist . Der Hauptunterschied bestand darin, dass der Zugriffsalgorithmus für jede Zelle komplizierter wurde, die Fläche der Zellen kleiner wurde und die Gesamtkapazität signifikant anstieg.
Ein Jahr später entwickelte Intel einen eigenen Flash-Speicher vom Typ NOR, auf dem Digipro ein Flash-Laufwerk namens Flashdisk baute. Die erste Version von Flashdisk in der maximalen Konfiguration enthielt 16 MiB Daten und kostete weniger als 500 USD
In den späten 80ern und frühen 90ern konkurrierten die Festplattenhersteller mit Downsizing. 1989 brachte PrairieTek die PrairieTek 220 20-MiB-Disc im 2,5-Zoll-Format auf den Markt. Zwei Jahre später kreiert Integral Peripherals den 1820 Mustang von Integral Peripherals mit dem gleichen Volumen, aber bereits 1,8 Zoll. Ein Jahr später reduzierte Hewlett-Packard die Festplattengröße auf 1,3 Zoll.
Seagate blieb seinen 3,5-Zoll-Laufwerken treu und setzte auf höhere Geschwindigkeit, indem es 1992 sein berühmtes Barracuda-Modell herausbrachte, das erste Festplattenlaufwerk mit 7200 U / min Spindeldrehzahl. Aber Seagate würde dort nicht aufhören. 1996 erreichten die Seagate Cheetah-Antriebe eine Drehzahl von 10.000 U / min, und vier Jahre später drehte sich die X15-Modifikation auf 15.000 U / min.
Im Jahr 2000 wurde die ATA-Schnittstelle als PATA bekannt. Der Grund dafür war das Erscheinen der Serial ATA (SATA) -Schnittstelle mit kompakteren Kabeln, der Unterstützung für "Hot-Swap" und der höheren Datenübertragungsgeschwindigkeit. Seagate übernahm hier die Führung und brachte 2002 die erste Festplatte mit einer solchen Schnittstelle heraus.
Die Produktion von Flash-Speichern war anfangs sehr teuer, aber in den frühen 2000er Jahren gingen die Kosten stark zurück. Transcend nutzte dies und veröffentlichte 2003 SSD-Festplatten in Volumina von 16 bis 512 MiB. Drei Jahre später schlossen sich Samsung und SanDisk der Massenproduktion an. Im selben Jahr verkaufte IBM seine Plattensparte an Hitachi.
SSDs gewannen an Fahrt und es gab ein offensichtliches Problem: Die SATA-Schnittstelle war langsamer als die SSDs selbst. Um dieses Problem zu lösen, begann die NVM Express Workgroup mit der Entwicklung von NVMe - einer Spezifikation für Zugriffsprotokolle auf SSDs direkt über den PCIe-Bus, wobei der "Vermittler" in Form eines SATA-Controllers umgangen wurde. Dies würde den Zugriff auf Daten mit einer PCIe-Busgeschwindigkeit ermöglichen. Zwei Jahre später war die erste Version der Spezifikation fertig und ein Jahr später erschien das erste NVMe-Laufwerk.
Unterschiede zwischen modernen SSDs und HDDs
Auf der physischen Ebene ist der Unterschied zwischen SSDs und HDDs leicht zu erkennen: Die SSDs enthalten keine mechanischen Elemente, und Informationen werden in Speicherzellen gespeichert. Das Fehlen beweglicher Elemente führt zu einem schnellen Zugriff auf Daten in einem beliebigen Teil des Speichers, die Anzahl der Überschreibzyklen ist jedoch begrenzt. Aufgrund der begrenzten Anzahl von Überschreibzyklen für jede Speicherzelle entsteht ein Bedarf an einem Ausgleichsmechanismus - der die Verschlechterung der Zellen durch die Übertragung von Daten zwischen Zellen ausgleicht. Diese Arbeit erledigt der Disk-Controller.
Zum Ausgleichen muss der SSD-Controller wissen, welche Zellen belegt und welche frei sind. Der Controller kann die Datenaufzeichnung in der Zelle selbst verfolgen, was nicht über das Löschen gesagt werden kann. Wie Sie wissen, löschen Betriebssysteme (OS) keine Daten von der Festplatte, wenn der Benutzer die Datei löscht, sondern markieren die entsprechenden Speicherbereiche als frei. Diese Lösung macht das Warten auf den Festplattenbetrieb überflüssig, ist jedoch für SSD völlig ungeeignet. Der SSD-Controller arbeitet mit Bytes und nicht mit Dateisystemen und erfordert daher eine separate Meldung zum Löschen der Datei.
So erschien der Befehl TRIM (dt. - trim), mit dem das Betriebssystem den SSD-Controller über die Freigabe eines bestimmten Speicherbereichs informiert. Der Befehl TRIM löscht permanent Daten von der Festplatte. Nicht allen Betriebssystemen ist bekannt, dass dieser Befehl an SSDs gesendet werden muss, und Hardware-RAID-Controller im Festplatten-Array-Modus senden TRIM niemals an Festplatten.
Fortsetzung folgt…
In den folgenden Abschnitten werden Formfaktoren, Verbindungsschnittstellen und die interne Organisation von Solid-State-Laufwerken erläutert.
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